TEMA PARA LA MATERIA DE QUIMICA BASICA CON LABORATORIO...INSTITUTO TECNOLOGICO DE SONORA...t&t

1. La relación de la Química con
otras disciplinas científicas
y tecnológicas
Carlos Miranda
I CURSO DE DIVULGACIÓN
LOS AVANCES DE LA QUÍMICA Y SU IMPACTO EN LA SOCIEDAD 29 de abril de 2009
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas

2. Química en
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Ciencias Medioambientales
Química en
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Toxicología

3. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
La Química, “la ciencia central”
BIOLOGÍA
Biología celular
CIENCIAS DE LAS Microbiología BIOQUÍMICA
Anatomía Biología molecular
PLANTAS Inmunología
Botánica Fisiología
Genética Endocrinología
Agronomía
Ingeniería genética
CIENCIAS
MEDIOAMBIENTALES MEDICINA y CC. SALUD
Ecología
Farmacología
Estudios de contaminación QUÍMICA Nutrición
Química clínica
Radiología
GEOLOGÍA
FÍSICA QUÍMICA
ASTRONOMÍA Física atómica y nuclear NUCLEAR
Mecánica cuántica Radioquímica
Espectroscopía Medicina nuclear
Ciencia de materiales
Biomecánica
Química en Biología:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Secuenciación del ADN
Premio Nobel de Química (1980)
Determinación de la secuencia de bases de los ácidos nucleicos
Walter GILBERT Frederick SANGER

4. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Aspectos estructurales de la molécula de ADN
La molécula de ADN es un “polinucleótido” = polímero de nucleótidos
¿Qué es un nucleótido?
NUCLEÓTIDO = Pentosa + Base nitrogenada + Grupos fosfato
(Azúcar de 5 át. de C) (de uno a tres)
PURINA
PIRIMIDINA
nucleósido
O
nucleótido monofosfato
NH
nucleótido difosfato
N O
nucleótido trifosfato R
Uracilo
ARN
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Aspectos estructurales de la molécula de ADN
En los seres vivos está constituida por
dos cadenas antiparalelas, formando la
conocida “doble hélice”
Interacciones por enlaces de
=
hidrogeno por pares A=T y C=G

5. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Mecanismo de polimerización del ADN
O
O
5’ O
5’ Base
-O P
Base O
-O P O-
O H H
O-
O- H H
H H
H H O H
O H
O P O-
O P O-
Base
O-
Base O
O-
O H H
H H
H H
H H O H
O H
O P O-
O P O-
Base
O
Base O
O
O H H
H H ADN Polimerasa H H
H H O H
: OH H
:
O P O-
3’
Base
O
O O O O O O
H H
Base
-O P O P O P O -O P O P OH
O H H
OH H
O- O- O- H H
O- O-
H H
3’
OH H
El grupo OH en posición 3’ del anillo de desoxirribosa es fundamental
para la polimerización de la molécula de ADN
Secuenciar el ADN:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Planteamiento del problema
Grupo OH (3’)
El nucleótido es el bloque fundamental
El OH en posición 3’ es el responsable de la polimerización
NUCLEÓTIDO
Hebra de ADN
¿Cómo conocer el orden de los nucleótidos?

6. Secuenciar el ADN:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Método de terminación de la cadena
Se puede separar ADN en función del tamaño
Electroforesis Poliacrilamida-Urea
(Resolución: 1 nucleótido)
¿Distinta longitud?
Sí
Parando la elongación de la cadena
¿Cómo?
Neutralizando el punto de crecimiento
Secuenciar el ADN:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Didesoxinucleótidos trifosfatados
DESOXINUCLEÓTIDOS (dNTP) vs DIDESOXINUCLEÓTIDOS (ddNTP)
dATP ddATP
Ausencia del grupo OH en posición 3’ del anillo de ribosa
No se puede formar el enlace fosfodiéster
Terminación química de la cadena de ADN

7. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Identificación de los fragmentos
muestra ADN dTTP
dCTP dATP
polimerasa dGTP
ddGTP ddTTP ddCTP ddATP
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Identificación de los fragmentos
MARCAJE
Fósforo radiactivo (32P y 33P)
grandes 3’
SOLUCIÓN:
TAMAÑO FRAGMENTOS
5’aAAATCAATTCTGTGAAC
GATAATCCAGTCATTGATG
TTGCCAGAGACAAAGCT 3'
pequeños 5’

8. Marcaje de los
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
nucleótidos de terminación
Marcaje con colorantes fluorescentes
Bodipy-FL-510 R6G
[λabs (max) = 502 nm; λem (max) = 510 nm] [λabs (max) = 525 nm; λem (max) = 550 nm]
CH3
N N
B
R CH CH F F
S
Bodipy-650 ROX
[λabs (max) = 630 nm; λem (max) = 650 nm] [λabs (max) = 575 nm; λem (max) = 602 nm]
VENTAJAS:
• Una sola reacción de secuenciación
• Fácil automatización
Marcaje de los
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
nucleótidos de terminación
Separación de fragmentos por electroforesis capilar
ATTGC A
Capilar
Pol.
líquido
…..
Laser -
Prisma
Reacción
Ventana Secuencia
Detectores

9. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Proyecto GENOMA HUMANO
Febrero de 2001
Science 291,1304-1351 Nature 409, 856-859
(16 February 2001) (15 February 2001)
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Química en Medicina

10. Química y Medicina:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Contrastes radiológicos
RADIOGRAFÍA
CONTRASTES RADIOLÓGICOS
Sustancia susceptible de ser empleada en exámenes médicos
de rayos X
Distinguen tejidos blandos por diferencia de opacidad frente a rayos X
Química y Medicina:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Contrastes radiológicos
Contrastes densos
Basados en compuestos químicos que contienen átomos pesados
Ofrecen una mayor opacidad a los rayos X
Placa fotosensible
FUENTE RAYOS X

11. Química y Medicina:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Contrastes radiológicos
Contrastes densos
Sulfato de Bario Compuestos de yodo
Iohexol
Química y Medicina:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Contrastes radiológicos
Contrastes densos
Basados en compuestos químicos que contienen átomos pesados
Ofrecen una mayor opacidad a los rayos X
Placa fotosensible
FUENTE RAYOS X
Contrastes hipodensos
Basado en el uso de un gas o de aire
Presentan una menor opacidad

12. Química y Medicina:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Medicina Nuclear
Empleo de isótopos radioactivos para dianóstico clínico y tratamiento de
enfermedades: • Algunos tipos de cáncer
• Enfermedades cardiovasculares
• Desórdenes neurológicos…
Henri Danlos (físico frances) en 1901 empleó radio para tratar
heridas de piel producidas en enfermos de tuberculosis
Radioisótopos más empleados
Radioisótopo Símbolo Radiación Vida media Uso
3
Tritio 1H β 12.32 años Trazador bioquímico
24
Sodio-24 11 Na β 14.95 horas Circulación sanguínea
32
Fósforo-32 15 P β 14.28 días Terapia anti-leucemia
60
Cobalto-60 27 Co β, γ 5.27 años Terapia cancerosa
74
Arsénico-74 33 As β+ 17.8 días Localización tumores cerebrales
99m
Tecnecio-99 43 Tc γ 6.01 horas Escáner cerebral
131
Yodo-131 53 I β 8.04 días Terapia tiroidea
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Tomografía por emisión de positrones
Técnica de análisis en tiempo real no invasiva
Imagen típica PET cerebral
En combinación con TAC
(tomografía axial computerizada)
Información y diagnósticos
MUY PRECISOS
imagen de PET TAC cuerpo entero

13. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
PET: Radiotrazadores
Administrado por vía intravenosa,
imagen PET TAC de cuerpo entero
vía oral o vía respiratoria
Se acumula en los órganos con
afinidad por el radiotrazador
Emisión de radiación gamma en los
órganos donde se localiza
Medición de la
ACTIVIDAD METABÓLICA
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
PET: Radionucléidos
Isótopos de vida media corta:
100
90 Periodo de
80
semidesintegración
% radiactividad
11C, ~20 minutos 70
60
13N, ~10 minutos 50
40
15O, ~2 minutos 30
20
18F, ~110 minutos 10
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
nº de periodos
Se incorporan en moléculas que sabemos como utiliza nuestro cuerpo
Desintegración por emisión de positrones
β+ = e+
11 11
6C 5B + β+ + νe + 0.45 MeV
13 13
7N 6C + β+ + νe + 2.22 MeV
15 15
8O 7N + β+ + νe + 2.85 MeV
18 18
9F 8O + β+ + νe + 1.66 MeV

14. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
PET: Radiotrazadores
FLUORDESOXIGLUCOSA (FDG)
2-[18F]Fluor-2-desoxi-D-glucosa
Tatsuo Ido
(años 70)
OTROS
Metabolismo Angiogénesis
• 18F-Fluorotimidina • 15O-Agua
• 11C-Timidina • 18F-Fluoromisonidazol
• 11C-Aminoácidos • 15O-Oxígeno
• 11C-Glucosa
CH2
• 15O-Oxígeno N
H3C OH
CH3
Química y Astrofísica:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Detección de moléculas
Espectros de emisión y absorción de planetas y estrellas
Espectro IR de las moléculas (vibraciones)

15. Astrofísica:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Detección de moléculas por IR
Detección de agua en el planeta HD189733b
62 años luz
Orbita inclinada alineada con la orbita terrestre
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Química y Astrofísica
Aislamiento del espectro IR del planeta
Resultado

16. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Materiales de alta tecnología
Materiales:
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Química, Física e Ingenieria
Materiales compuestos (COMPOSITES)
Fibra de vidrio
Fibra de Carbono
PROPIEDADES
Elevada resistencia
Bajo peso Aplicaciones en
Muy duraderos Ingeniería y
Construcción
Alternativa al hormigón armado
y el acero

17. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Construcciones novedosas
San Diego (EE.UU.) Friedberg (Alemania)
Asturias (España)
La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
Química e Ingeniería
Madrid (M-111)

18. La relación de la Química con otras disciplinas científicas y tecnológicas
INGENIERÍA
QUÍMICA
BIOLOGÍA GEOLOGÍA
FÍSICA